CN101486087A - 一种铝合金连杆的铸锻联合工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金连杆的铸锻联合工艺方法，在铸造工艺中加入稀土元素调整连杆铝合金的成分，稀土元素的加入量为铝液的2～5％，保证铝合金连杆的成分为：Al：88～94％；Cu：3.8～4.9％；Si：0.5～1.5％；Mn：0.4～1.2％；Mg：0.4～1.0％；Re：0.8～1.8％；Fe：0.4％～0.14％；锻造工艺中不切除浇冒口和不重新加热，将浇冒口作为锻件的一部分或料头，利用铸造余热进行锻造；本发明简化传统模锻工艺，改善锻造金属的合理流动、流线和力学性能，改善铸件上浇冒口附近的金相组织，具有材料工艺利用率高、流程缩短和节能降耗的效果，铸坯模锻工艺能显著改善铸坯的内在质量与机械性能，生产成本低于传统模锻件。

Description

一种铝合金连杆的铸锻联合工艺方法

技术领域

本发明涉及制造技术领域，特指一种铝合金连杆的铸锻联合工艺方法，适用于汽油机、柴油机、压缩机行业中铝合金连杆的制造。

背景技术

国外在生产汽车零件中包括曲轴、十字轴、变速箱齿轮和差速器盘等，采用铸坯代替轧材生产锻件。国内铸造毛坯在模锻生产中的研究和应用起步较晚，目前正处于基础研究和应用开发研究的初级阶段。在铝合金连杆的生产方面，大多数企业采用传统的锻铝或硬铝合金，硬铝合金经棒材下料、加热、预锻、粗锻、切边、精锻、切边、热处理、表面处理、机加工等工序，这种方法生产的连杆或其它零件工序多、材料工艺利用率低、成本高、能耗大。

公开号为CN85106018B、名称为“低塑性铝硅铜合金连杆的铸锻工艺”的专利采用铝硅铜合金，在一系列的工艺措施下经金属模铸造铸坯，再经模锻成型锻出连杆毛坯。目前应用这种工艺方法生产铝合金连杆主要存在如下问题：铸坯组织疏松、去气除渣不尽、缩孔缩松较为严重，锻造后较难改善；锻造时金属的流动不合理，锻造流线不符，力学性能较难符合要求；铸坯与浇冒口连接处出现的缩孔缩松，经过锻造后较难改变；能源消耗较大。

申请号为200410052493.X、名称为“一种金属液态压铸锻造双控一次成型的方法”的专利申请采用液态铸锻双控一次成型铸锻机，在压力铸造机的基础上附加锻造的功能，锻造压力为6～30兆帕，在同一个生产周期中对液态金属连续进行压力铸造和模锻一次成型。该压铸锻造双控一次成型方法的缺陷是，由于压铸和锻造采用同一付模具，锻造压下量不能太大，达不到一定的锻造比，金属无法合理流动，流线不合理，力学性能不理想等等。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术缺陷而提供了一种高质量、低成本、工艺简单和节能降耗的铝合金连杆的铸锻联合工艺方法。

本发明采用的技术方案是：包括铸造、锻造和热处理工艺，在铸造工艺中加入稀土元素调整连杆铝合金的成分，稀土元素的加入量为铝液的2～5％，保证铝合金连杆的成分为：Al：88～94％；Cu：3.8～4.9％；Si：0.5～1.5％；Mn：0.4～1.2％；Mg：0.4～1.0％；Re：0.8～1.8％；Fe：0.4％～0.14％；锻造工艺中不切除浇冒口和不重新加热，将浇冒口作为锻件的一部分或料头，利用铸造余热进行锻造；最后进行退火预处理和固溶时效处理。

本发明的有益效果是：

1、除气去渣和微合金化处理，有利于保证铸坯质量；不用连杆轴瓦和小头连杆衬套材料，简化传统模锻工艺。

2、采用中间不切除浇冒口方法进行直接锻造，浇冒口作为锻件的一部分或料头等进行全新的铸坯模锻工艺，有利于改善锻造金属的合理流动、流线、力学性能等，改善铸件上浇冒口附近的金相组织，通过锻造消除铸造缺陷以及利于锻击充满型腔。

3、由金属液直接获取高质量锻坯，铸坯余热模锻，具有材料工艺利用率高、流程缩短和节能降耗的效果。

4、铸坯模锻工艺能显著改善铸坯的内在质量与机械性能，生产成本远低于传统模锻件。

具体实施方式

本发明工艺采用铸造—不去浇冒口—余热锻造联合工艺生产铝合金连杆，生产工艺流程包括铝合金熔炼、微合金化化处理、铸造毛坯、余热锻造、切边、热处理、表面处理和机加工。

铸造工艺过程中，除进行常规除气去渣和变质处理，还采用稀土元素等进行除气去渣和微合金化处理，改善铸坯质量；简化传统模锻工艺。稀土元素的加入量为铝液的2～5％，用钟罩压入，反应几分钟后，去除浮渣，保证铝合金连杆的成分为：Al：88～94％；Cu：3.8～4.9％；Si：0.5～1.5％；Mn：0.4～1.2％；Mg：0.4～1.0％；Re：0.8～1.8％；Fe：0.4～0.14％，将Fe的质量分数由0.7％减少到0.4～0.14％。该合金材料替代锡氏轴承合金或锡青铜，生产连杆大头不要轴瓦，小头不装铜衬套。

锻造工艺过程中，采用中间不切除浇冒口和不重新加热的方法进行直接锻造，浇冒口作为锻件的一部分或料头等进行全新的铸坯余热模锻工艺，铸坯浇冒口也作为锻造时的钳口料。采用压力铸造或者金属型重力铸造，铸坯的尺寸和形状需考虑锻造工艺的要求。工艺浇冒口系统的结构和尺寸除考虑铸造质量要求外，还考虑对锻造工艺的影响；锻造时不去除铸造浇冒口，利用铸坯浇冒口改善锻造金属的合理流动、流线、力学性能等，改善铸件上浇冒口附近的金相组织，通过锻造消除铸造缺陷，有利于锻击充满型腔。重力铸造金属型模具、铸坯的尺寸和形状、锻压模具及其相关的工艺，根据连杆合金类型、锻造比、锻造流线分布、金属的合理流动和质量及技术要求，采用商用有限元分析软件，结合传统铸锻模设计理论，对铝合金连杆的成形进行工艺设计、模具设计和参数优化。

铸造工艺中，浇注连杆时的铝合金浇注温度730～760℃；铝水至浇注转移时间控制在10s以内；充型速度为0.1～0.13m/s；充型时间为0.6～0.8s；模具工作温度为180～250℃；留模时间为10s；涂料采用水基乳化涂料。

铸造完成后，不去浇冒口，利用铸造余热进行锻造。铸件出模或至保温均热炉在450～520℃范围内，用于锻造的工具充分预热，加热温度控制在200～420℃，锻造温度控制在420～400℃左右锻造，控制加压速度，压下量为20～40％。根据要求，可单膛模锻，也可分两次进行。锻造后切边，并进行热处理。

锻造后要求是：1、无偏析聚集、非金属夹渣及缩尾。2、粗晶环：≤4.5mm。3、显微组织：无过烧。4、锻件纵剖面纤维方向应沿着连杆中线与外形相符。5、表面应光洁、无裂纹、折叠、折痕、结疤等缺陷。

在固溶时效前增加一道退火预处理，退火温度为480～495℃，保温时间为12h。固溶温度为490±5℃，保温时间为8h，使可溶相充分溶入固溶体，淬火转移时间控制在15s以内，55～60℃热水淬火；时效处理为165±5℃，保温时间为8h，出炉空冷即可。适当调整固溶温度、淬火水温和人工时效保温时间等热处理工艺参数，并在热处理过程中严格控制加热温度、保温时间和淬火转移时间等影响因素，可提高锻铝合金锻件产品的力学性能。

实施例1

采用商用有限元分析软件procast(铸造分析软件)和deform(锻压分析软件)，结合传统铸锻模设计理论，对铝合金连杆的成形进行工艺设计、模具设计和参数优化，获得连杆的铸造和锻造的工艺尺寸。根据锻件图绘出热锻件图，热锻件图是设计锻造模具的依据。

铸造工艺：首先对铝合金进行熔炼，然后入稀土元素进行除气去渣和微合金化处理，其加入量约为铝液的2％，用钟罩压入，反应几分钟后，去除浮渣，保证铝合金连杆的成分为：Al 88％；Cu 3.8％；Si 0.5％；Mn 0.4％；Mg 0.4％；Re 0.8％。将Fe的质量分数由0.7％减少到0.4％。然后进行连杆的浇注，浇注温度控制在730℃，铝液至浇注转移时间控制在10s以内；充型速度0.1m/s；充型时间0.6s；模具工作温度180℃；留模时间10s；涂料采用水基乳化涂料。采用铸锻联合工艺，铸造出来的铸件直接进行锻造。铸件的高度尺寸大于锻件高度，宽度尺寸小于锻件尺寸，在锻造时有利于改善铸件内部产生的疏松疏孔，提高产品的性能。

锻造工艺：铸件出模或至保温均热炉在450℃，利用铸造余热进行锻造。用于锻造的工具充分预热，加热温度控制在200℃，锻造温度控制在420℃锻造，控制加压速度，压下量为20％，不去浇冒口。根据技术的要求，可单膛模锻，也可分两次进行。由于高度与宽度(直径)之比不太大，故拔模斜度取3°左右。由于铝合金的收缩率在1.004到1.006之间，比较小，热锻件尺寸基本不变。不切除浇冒口，在锻模上要挖出浇冒口的型槽。为了实现浇冒口对锻件进行补缩和改善浇冒口附近的性能，锻模上内浇道及内浇道附近直浇道型槽尺寸小于铸件上对应的尺寸，在浇道口及其与直浇道连接处做成圆角，减小金属流动阻力。锻造后切边，并进行热处理。

退火预处理：退火温度：480℃，保温时间：12h.

固溶时效：固溶温度：490±5℃，保温时间：8h，使可溶相充分溶入固溶体，淬火转移时间控制在15s以内，55℃热水淬火；时效处理：165±5℃，保温时间：8h，出炉空冷。

实施例2

采用商用有限元分析软件procast(铸造分析软件)和deform(锻压分析软件)等，结合传统铸锻模设计理论，对铝合金连杆的成形进行工艺设计、模具设计和参数优化，获得连杆的铸造和锻造的工艺尺寸。根据锻件图绘出热锻件图，热锻件图是设计锻造模具的依据。

铸造工艺：首先对铝合金进行熔炼，然后入稀土元素进行除气去渣和微合金化处理，其加入量约为铝液的3％，用钟罩压入，反应几分钟后，去除浮渣，保证铝合金连杆的成分为：Al 90％；Cu 4％；Si 1％；Mn 0.8％；Mg 0.8％；Re 1.2％。将Fe的质量分数由0.7％减少到0.2％。然后进行连杆的浇注，浇注温度控制在740℃，铝液至浇注转移时间控制在10s以内；充型速度0.12m/s；充型时间0.7s；模具工作温度200℃；留模时间10s；涂料采用水基乳化涂料。采用铸锻联合工艺，铸造出来的铸件直接进行锻造。铸件的高度尺寸大于锻件高度，宽度尺寸小于锻件尺寸，在锻造时有利于改善铸件内部产生的疏松疏孔，提高产品的性能。

锻造工艺：铸件出模或至保温均热炉在500℃，利用铸造余热进行锻造。用于锻造的工具充分预热，加热温度控制在300℃，锻造温度控制在410℃锻造，控制加压速度，压下量为30％，不去浇冒口。根据技术的要求，可单膛模锻，也可分两次进行。由于高度与宽度(直径)之比不太大，故拔模斜度取3°左右。由于铝合金的收缩率在1.004到1.006之间，比较小，热锻件尺寸基本不变。不切除浇冒口，在锻模上要挖出浇冒口的型槽。为了实现浇冒口对锻件进行补缩和改善浇冒口附近的性能，锻模上内浇道及内浇道附近直浇道型槽尺寸小于铸件上对应的尺寸，在浇道口及其与直浇道连接处做成圆角，减小金属流动阻力。锻造后切边，并进行热处理。

退火预处理：退火温度：490℃，保温时间：12h；

固溶时效：固溶温度：490±5℃，保温时间：8h，使可溶相充分溶入固溶体，淬火转移时间控制在15s以内，58℃热水淬火；时效处理：165±5℃，保温时间：8h，出炉空冷。

实施例3

采用商用有限元分析软件procast(铸造分析软件)和deform(锻压分析软件)等，结合传统铸锻模设计理论，对铝合金连杆的成形进行工艺设计、模具设计和参数优化，获得连杆的铸造和锻造的工艺尺寸。根据锻件图绘出热锻件图，热锻件图是设计锻造模具的依据。

压铸铸造工艺：首先对铝合金进行熔炼，然后入稀土元素进行除气去渣和微合金化处理，其加入量约为铝液的5％，用钟罩压入，反应几分钟后，去除浮渣，保证铝合金连杆的成分为：Al 94％；Cu 4.9％；Si 1.5％；Mn 1.2％；Mg 1.0％；Re 1.8％。将Fe的质量分数由0.7％减少到0.14％。然后进行连杆的压注，压注温度控制在760℃，充型速度20m/s；持压时间为2s；充型时间0.1s左右；模具工作温度250℃；涂料采用水基乳化涂料。采用铸锻联合工艺，铸造出来的铸件直接进行锻造，因此在尺寸上铸件相当于预锻件。铸件的高度尺寸大于锻件高度，宽度尺寸小于锻件尺寸，在锻造时有利于改善铸件内部产生的疏松疏孔，提高产品的性能。

锻造工艺：铸件出模或至保温均热炉在520℃，利用铸造余热进行锻造。用于锻造的工具充分预热，加热温度控制在420℃，锻造温度控制在400℃锻造，控制加压速度，压下量为40％，不去浇冒口和溢流槽。根据技术的要求，可单膛模锻，也可分两次进行。由于高度与宽度(直径)之比不太大，故拔模斜度取3°左右。由于铝合金的收缩率在1.004到1.006之间，比较小，热锻件尺寸基本保持不变。在锻模上要挖出浇冒口和溢流槽的型槽。为了实现浇冒口和溢流槽对锻件进行补缩和改善浇冒口附近的铝合金性能，锻模上溢流槽口，内浇道及内浇道附近直浇道型槽尺寸小于铸件上对应的尺寸，在浇道口及其与直浇道连接处做成圆角，减小金属流动阻力。锻造后切边，并进行热处理。

退火预处理：退火温度：495℃，保温时间：12h；

固溶时效：固溶温度：490±5℃，保温时间：8h，使可溶相充分溶入固溶体，淬火转移时间控制在15s以内，60℃热水淬火；时效处理：165±5℃，保温时间：8h，出炉空冷。

Claims (5)

1、一种铝合金连杆的铸锻联合工艺方法，包括铸造、锻造和热处理工艺，其特征是：

(1)铸造工艺

加入稀土元素调整连杆铝合金的成分，稀土元素的加入量为铝液的2～5％，保证铝合金连杆的成分为：Al：88～94％；Cu：3.8～4.9％；Si：0.5～1.5％；Mn：0.4～1.2％；Mg：0.4～1.0％；Re：0.8～1.8％；Fe：0.4％～0.14％；

(2)锻造工艺

不切除浇冒口和不重新加热，将浇冒口作为锻件的一部分或料头，利用铸造余热进行锻造；

(3)退火预处理；

(4)固溶时效处理。

2、根据权利要求1所述的一种铝合金连杆的铸锻联合工艺方法，其特征是：步骤(1)铸造工艺中，铝合金浇注温度为730～760℃；铝水至浇注转移时间控制在10s以内；充型速度为0.1～0.13m/s；充型时间为0.6～0.8s；模具工作温度为180～250℃；留模时间为10s。

3、根据权利要求1所述的一种铝合金连杆的铸锻联合工艺方法，其特征是：步骤(2)锻造工艺中，使铸件出模或至保温均热炉在450～520℃范围内；用于锻造的工具预热，加热温度控制在200～420℃，锻造温度控制在420～400℃，压下量为20～40％。

4、根据权利要求1所述的一种铝合金连杆的铸锻联合工艺方法，其特征是：步骤(3)退火温度为480～495℃，保温时间为12h。

5、根据权利要求1所述的一种铝合金连杆的铸锻联合工艺方法，其特征是：步骤(4)固溶温度为490±5℃，保温时间为8h，淬火转移时间控制在15s以内，用55～60℃热水淬火；时效处理为165±5℃，保温时间为8h，出炉空冷即可。